Викривлення простору
Серед низки дивних образів, народжених новою фізикою, найбільший інтерес викликають ті, які належать до квантової теорії та теорії відносності. У своїй найбільш розробленій формі, яка називається квантовою механікою, квантова теорія по суті займається вивченням усіх процесів, що відбуваються в мікросвіті. На квантовій механіці засноване наше розуміння всіх явищ молекулярної, атомної, ядерної та суб'ядерної фізики. Теорія відносності вивчає властивості простору, часу та руху. Її висновки стають суттєвими, коли система, що розглядається, рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, або в сильному гравітаційному полі.
Квантова фізика і теорія відносності підривають здоровий глузд у багатьох аспектах. Не остання серед них “жертв” – наше інтуїтивне уявлення про геометрію. У повсякденному житті метр завжди залишається метром. Якщо йому дано визначення, будь-яку іншу одиницю довжини вважатимуться заданої раз і назавжди. Мало кому могло б спасти на думку, що 1 м сьогодні міг би виявитися завтра рівним 2 м або що ваш метр дорівнює половині мого метра. Проте теорія відносності як стверджує, що відстані не абсолютні, тобто. не фіксовані раз і назавжди, а й показує експерименти, у яких могли б виявитися подібні розбіжності. Якщо один спостерігач рухається щодо іншого, то при вимірі довжини того самого об'єкта вони набувають різних значень. І це незважаючи на те, що в стані спокою обидва спостерігачі при вимірюванні довжини даного об'єкта отримають точно один і той же результат.
Зменшення відстані зі збільшенням швидкості називається ефектом скорочення довжин Лоренца - Фітцджеральда, на честь сформулюваних його вчених Джорджа Фітцджеральда і Хендріка Антона Лоренца. Це один ізОсновних результатів теорії відносності. Скорочення довжини стає помітним лише за швидкостях, близьких до швидкості світла, але існування ефекту немає сумнівів. Лінійний прискорювач частинок у Стенфорді (шт. Каліфорнія, США) є прямолінійною трубою довжиною близько 3 км (у нашій системі відліку). Однак електрони, що рухаються в ній, мають швидкості, настільки близькі до швидкості світла, що в їх "системі відліку" довжина прискорювача ледве досягає 0,3 м! На практиці, при проектуванні такого прискорювача та роботі на ньому слід враховувати ефект скорочення довжини.
Якщо теорія відносності позбавляє сенсу поняття відстані, то квантова механіка ще рішучіше підриває підвалини”, ставлячи під сумнів засноване на здоровому глузді поняття розташування. Вважається незаперечною істиною, що всі матеріальні тіла мають десь перебувати. Кожна субатомна частка, наприклад, що входить до складу нашого тіла, неодмінно повинна мати певне місце розташування. Чи може взагалі існувати частка, не будучи десь?
Коли фізики почали досліджувати поняття розташування у світлі квантової фізики, вони з подивом виявили, що воно, взагалі кажучи, не має сенсу. Джерело всіх "неприємностей" пов'язане з одним фундаментальним правилом квантової механіки, званим принципом невизначеності Гейзенберга - на честь німецького фізика Вернера Гейзенберга, який у 20-х роках нашого століття став одним із творців квантової механіки. Відповідно до цього принципу, неможливо одночасно точно визначити положення та швидкість частки. Можна говорити про швидкість (точніше, імпульс), наприклад, електрона і поставити експеримент з метою вимірювання цієї величини. Експеримент дасть певний результат. Аналогічним чином можна за бажання визначитистановище електрона. При цьому щоразу ми виявлятимемо його в певному місці. Але чого нам ніяк не вдасться зробити - і що в принципі неможливо - так це одночасно визначити обидві характеристики електрона: положення і швидкість. Незалежно від способу виміру сам акт спостереження розташування електрона непередбачуваним чином порушує його рух. Так само вимірювання імпульсу електрона "змащує" дані про його місцезнаходження. Ці два типи виміру просто несумісні.
Неможливість одночасного визначення положення та імпульсу частки не слід відносити за рахунок грубого характеру експерименту або недостатньої роздільної здатності приладу, тому що в даному випадку ми маємо справу з особливістю, внутрішньо властивою природі. Саме поняття електрона, що знаходиться в такому місці, стає абсолютно безглуздим, якщо ми хочемо дізнатися його імпульс.
Все це говорить про те, наскільки безглузда спроба уявити собі світ атома як простір, “населений” кульками, що обертаються. Якщо частка не може одночасно мати певні положення і імпульс, то ми не в змозі розумним чином приписати їй траєкторію в просторі. Нам може бути відомо, що в якийсь момент часу електрон знаходиться в точці А, а в пізніший момент – у точці В, але ми не можемо знати, як він потрапив з А в В. Уявлення про траєкторію (або орбіту), безперервно з'єднує вихідний і кінцевий пункти, що втрачається. І справді, ми вже згадували, що в деяких технічних пристроях електрони виявляють здатність "тунелювати" через бар'єр, зникаючи з одного боку і раптово знову виникаючи з іншого боку. Це типово квантовий ефект.
Єдиний спосіб надати сенсу такій дивній поведінці електрона полягає в припущенні,що частка потрапляє з А в В одночасно по всіх можливих шляхах! Цю незвичайну властивість можна легко продемонструвати, пристосувавши належним чином експеримент, вперше поставлений у ХІХ ст. англійським фізиком Томасом Юнгом. Бажаючи довести справедливість хвильової теорії світла. Юнг користувався явищем інтерференції. Інтерференція відбувається при накладення двох хвиль. Якщо гребені однієї хвилі збігаються в гребенями іншої хвилі, відбувається посилення, і хвильовий рух стає більш інтенсивним. Якщо ж гребені однієї хвилі припадають на западини іншої, то хвилі гасять одна одну, і хвильовий рух слабшає.
В експерименті Юнга (мал. 3) світло від невеликого джерела падає на дві розташовані близько щілини в непрозорому екрані. Зображення щілин проектуються на другий екран. Досягаючи другого екрана, світлові хвилі від кожної щілини інтерферують. Результат інтерференції залежить від того, як приходять до екрану хвилі - "в ногу" або "не в ногу". Це залежить від того, під яким кутом хвилі падають на екран, і тому результат змінюється від точки до точки. У результаті ми спостерігаємо серію світлих і темних смуг, що утворюються внаслідок того, що світлові хвилі по черзі посилюють то гасять один одного.
Рис.3. Досвід Юнга з інтерференції світла. Джерело світла висвітлює дві паралельні щілини у непрозорому екрані. Зображення на екрані складається не з двох світлих смуг, а серії світлих і темних (інтерференційних) смуг. Цей досвід наочно демонструє хвильову породу світла, але якщо поглянути на нього з корпускулярної (фотонної) точки зору, багато в досвіді здасться дивним.
Якщо взяти до уваги квантову природу світла, виявляються дивовижні деталі. Квант світла – фотон – веде себе, як частка, у тому сенсі,що потрапляє на екран у певному місці. (Якщо, бажаючи зафіксувати інтерференційну картину, замінити екран на фотопластинку, то кожен фотон викличе хімічні зміни в єдиному зерні фотоемульсії в чітко визначеному місці.) З іншого боку, інтерференційна картина явно залежить від наявності двох щілин, що породжують дві хвилі, які накладаються один на одного. . Якщо одну щілину закрити, інтерференційна картина зникає. Спостережуване явище не можна пояснити посиланням на те, що частина фотонів проходить через одну щілину, а частина – через іншу, оскільки інтерференційна картина виникає у вигляді окремих цяток, навіть якщо на екран падають окремо фотон за фотоном. Єдине можливе пояснення полягає в тому, що кожен фотон якимось чином проходить через обидві щілини та досягає екрана, несучи на собі відбиток їхнього існування. Цим “відбитком” є максимальна можливість попадання фотонів у область світлих смуг, тобто. у бік від області темних смуг. У цьому вся проявляється співіснування двох аспектів природи світла – хвильового і корпускулярного. Хоча спочатку експеримент був поставлений зі світлом, аналогічні міркування залишаються чинними, якщо використовувати електрони або будь-які інші квантові "хвилі-частинки".
Неможливо уявити частинку, яка знаходиться “одночасно”. Можна, мабуть, уявити незліченні частинки-“привиди”, що рухаються всіма можливими шляхами до точки спостереження, де вони зливаються в “реальну” частинку, і навіть такий образ виявляється неадекватним. Тільки математика може звести докупи всі ці тонкощі.
Внаслідок нашої нездатності “прикріпити” частинку до певного місця у разі кількох часток виникають незвичайні ефекти. Якщо є набір тотожних частинок і ми не можемосказати в кожному окремому випадку, де знаходиться частка, тут чи там, як можна дізнатися, де з них яка? Справді, це не можна зробити. Індивідуальність частинки повністю стирається.
Ця обставина призводить до важливих фізичних наслідків. Коли два атоми утворюють молекулу, на рух електронів навколо одного з атомів впливає інший атом, у результаті між атомами виникає сила тяжіння. Частково вона обумовлена тим, що даний електрон одного атома не відрізнити від електронів іншого, а через розмитість їх положення ніщо не перешкоджає цим електронам іноді мінятися місцями. Інакше висловлюючись, два електрони з різних атомів можуть взаємно замінювати одне одного. Подібні обмінні взаємодії (сили), добре відомі хімії, породжують ефекти, доступні вимірам.
Усе це робить поняття відстані дуже розпливчастим. Але це ще не все. При ретельнішому розгляді з'ясовується, що не тільки розмите становище частинки в просторі, а й самому простору властива розмитість. Погано, коли невідомо, де знаходиться частка, але якщо не можна сказати, де розташовані точки простору, то всі уявлення геометрії руйнуються.
Причина цього ускладнення криється в особливих властивостях гравітації. У 1915р. Ейнштейн узагальнив теорію відносності, яка передбачала можливе стиснення та розтягнення простору залежно від руху спостерігача, включивши до неї гравітаційні явища. Згідно з загальною теорією відносності гравітація є просто геометрією порожнього простору і часу, проте вона зовсім не схожа на ту, яку ми вивчаємо в школі. Гравітація - це викривлений простір-час. Простір може не тільки розтягуватися та стискатися, але й згинатися таскручуватися. Саме такими деформаціями простору пояснюється, згідно з теорією Ейнштейна, гравітація.
Ейнштейн вказав ряд прикладів, коли викривлення простору та часу можна спостерігати.
Рис.4. Проходячи поблизу Сонця, світло від зірки помітно відхиляється через викликане Сонцем викривлення простору. В результаті спостерігається нами становище зірки на небі дещо зміщене щодо реального.
Один із них – вплив гравітаційного поля Сонця на простір у його найближчому околиці. Під час повного сонячного затемнення, коли сяючий диск Сонця заслонений Місяцем, можна спостерігати невеликі відхилення у положеннях зірок, розташованих на небі поблизу Сонця, порівняно з їх координатами, зафіксованими в астрономічних атласах (рис. 4). Світлові промені, що йдуть від зірок, помітно відрізняються від прямолінійних, що обумовлено викривленням простору Сонцем.
Ця та інші перевірки теорії відносності, засновані на набагато сильніших гравітаційних полях нейтронних зірок, переконали фізиків у тому, що гравітація справді викривляє простір. Одне з наслідків цього у тому, що простір (суворо кажучи, простір-час) вважатимуться хіба що пружним, здатним змінювати свою геометричну форму. Інакше висловлюючись, ми можемо спостерігати динаміку простору. Наприклад, коли зірка колапсує, утворюючи чорну дірку, спочатку слабка деформація простору в її околиці стрімко наростає, створюючи жахливо деформований простір – пастку, з якої ніщо не може вийти назовні. Іншим прикладом може служити Всесвіт, що розширюється (див. гл. I): в ньому простір між галактиками безперервно розтягується.
Здатність простору змінюватись і рухатися має глибокийсенс для квантової фізики. Принцип невизначеності Гейзенберга розмиває як характер руху частки, а й динаміку простору. Методом математичного моделювання встановлено, що в масштабах, принаймні у 1020 разів менших розмірів атомного ядра, структура простору нагадує піну та характеризується різкими та спонтанними змінами (збільшенням та зменшенням) кривизни. Подібно до того, як частка "використовує" всі доступні їй траєкторії руху, простір в ультрамікроскопічних масштабах реалізує всі можливі способи руху. У разі частки йшлося про міріади примарних частинок, що рухаються кожна за своєю траєкторією. Аналогічно ми можемо говорити про нескінченну кількість примарних просторів, кожний з яких має конкретну геометрію.
Така примарна динаміка простору передбачає, що у дуже малих масштабах саме поняття “місце розташування” втрачає сенс. Упорядковане розташування точок, гладка безперервність простору класичної геометрії зникає у піноподібному просторі-часі. Замість нього ми маємо безладне нагромадження напівреальних просторів-примар. І в такому безладно змінюваному океані здоровий глузд повністю втрачає свою силу.